تحليل حالة بحيرة تاي هو بناءً على مؤشر الكلوروفيل الطيفي الفائق

مقدمة معلومات أساسية

تلعب تقنية الاستشعار عن بُعد بالأقمار الصناعية دورًا محوريًا في رصد جودة المياه الداخلية، إذ تُمكّن من استخلاص معايير جودة المياه الرئيسية على مساحات واسعة، بسرعة وبتكلفة منخفضة. مع ذلك، يفرض رصد جودة المياه الداخلية متطلبات عالية على هذه التقنية: فالمسطحات المائية الصغيرة تتطلب دقة مكانية عالية، وتغير جودة المياه السريع يستلزم دقة زمنية عالية، والخصائص البصرية المعقدة والمتغيرة للمسطحات المائية تتطلب دقة طيفية عالية. لذا، فإن بيانات الأقمار الصناعية التي تجمع بين الدقة المكانية والزمنية والطيفية العالية تُعدّ ذات مزايا كبيرة في رصد جودة المياه الداخلية.

يُعد الكلوروفيل أ أحد أهم معايير جودة المياه، وهو صبغة رئيسية في الطحالب. ويمكنه أن يعكس الكتلة الحيوية الإجمالية وتوزيع أنواع الطحالب المختلفة، كما يقيس درجة التخثث في المسطحات المائية.

أثناء ازدهار الطحالب، يتجاوز تركيز الكلوروفيل في معظم مناطق المسطح المائي عمومًا 100 ملغم/م³.^-3في هذه المرحلة، لم يعد تركيز الكلوروفيل أ كافياً كمؤشر إنذار مبكر لتكاثر الطحالب. يمكن أن يوفر رصد تركيز الكلوروفيل أ في المسطحات المائية قبل أو عند بداية تكاثر الطحالب معلوماتٍ عن الكتلة الحيوية للطحالب وجودة المياه، وهو أمرٌ بالغ الأهمية للإنذار المبكر والوقاية الموجهة من تكاثر الطحالب.

الأساليب والمبادئ

استخدمت دراسة الحالة هذه صورًا طيفية فائقة لمنطقة بحيرة تايهو التقطها القمر الصناعي Xiguang-1 05 (Tianxianpei) في 18 يونيو 2025، لحساب مؤشرات الكلوروفيل المختلفة، وقامت بتحليل جودة المياه في منطقة بحيرة تايهو بناءً على نتائج المؤشر المقابلة.

الجدول 1. مقدمة البيانات

في هذه الحالة، تستخدم عملية حساب المؤشر بيانات انعكاس مستوى L2C المصححة جويًا. وتكون إجراءات التشغيل المحددة كما يلي:

1. معالجة البيانات المسبقة

المعايرة الإشعاعية: يتم إجراء تصحيح إشعاعي على بيانات قيمة DN الخام باستخدام معاملات المعايرة الإشعاعية المُقدمة من برنامج radiance للحصول على بيانات الإشعاع الظاهري. ويمكن القيام بذلك باستخدام أداة المعايرة الإشعاعية في برنامج ENVI.

التصحيح الجوي: يتم إجراء التصحيح الجوي باستخدام أدوات التصحيح الجوي القائمة على نماذج 6S أو MODTRAN للحصول على بيانات انعكاس السطح، مثل أداة التصحيح الجوي FLAASH في ENVI.

التنعيم الطيفي: يتم استخدام خوارزمية Savitzky-Golay (SG) لتنعيم بيانات انعكاس السطح في ENVI، مما يقلل من الضوضاء الطيفية ويحسن موثوقية حسابات المؤشر ذات الصلة اللاحقة.

قناع المسطح المائي: من خلال تطبيع رقم انعكاس السطح لحساب مؤشر المسطح المائي، واختيار عتبة مناسبة بناءً على الرسم البياني لنتائج الحساب، يتم استخراج منطقة بحيرة تايهو.

حساب المؤشر: احسب المؤشرات الطيفية.

2. حساب المؤشر الطيفي

• سبعة

تم استخلاص نطاق المسطحات المائية باستخدام طريقة المؤشر الطيفي. تحديدًا، حُسب مؤشر الفرق المعياري للمياه (NDWI) بناءً على صورة انعكاس السطح المعالجة بواسطة برنامج FLASH. ثم، استنادًا إلى المدرج التكراري لصورة NDWI، تم تحديد عتبة لإتمام استخلاص المسطحات المائية. صيغة الحساب كالتالي:

• مؤشر نسبة النطاقين (BR)

معامل الانعكاس R للاستشعار عن بعد في نطاقي 705 نانومتر و 671 نانومتر_rsتُبرز هذه النسبة الاختلافات في طيف الكلوروفيل، وصيغة الحساب هي كما يلي:

• مؤشر ثنائي الكلوروفيل المعياري (NDCI)

يمكن استخدام الفرق المعياري في الانعكاس بين نطاقي 705 نانومتر و671 نانومتر لاستخلاص معلومات حول خصائص سطح الأرض المرتبطة بالكلوروفيل (مثل الطحالب والنباتات). صيغة الحساب كالتالي:

• مؤشر النطاقات الثلاثة (TBI)

يمكن استخدام مقلوب الفرق في الانعكاسية في نطاقي 671 نانومتر و705 نانومتر، ثم ضربه في الانعكاسية في نطاق 731 نانومتر، لتسليط الضوء على التغيرات أو الاختلافات في العكارة في المسطحات المائية العكرة. صيغة الحساب كالتالي:

عرض النتائج

الشكل 1. صورة مركبة بالألوان الحقيقية (القمر الصناعي Xiguang-1 05 (Tianxianpei)، 20250618)

مقارنة المنحنيات الطيفية في منطقة بحيرة تاي هو قبل وبعد ترشيح SG (زيادة الانعكاسية بمقدار 10000 مرة، القمر الصناعي Xiguang-1 05 (Tianxianpei)، 20250406)

الشكل 2: مقارنة المنحنيات الطيفية قبل وبعد ترشيح SG

تم إجراء عملية استخراج المياه وحساب المؤشر المذكورة أعلاه على القمر الصناعي Xiguang-1 05 (Tianxianpei)، وتم الحصول على النتائج التالية:

الشكل 3. توزيع مؤشر نسبة النطاقين (BR) (القمر الصناعي Xiguang-1 05 (Tianxianpei)، 20250618)

الشكل 4. توزيع مؤشر ثنائي الكلوروفيل المعياري (NDCI) (قمر شيغوانغ رقم ​​1 05 (تيانشيانبي)، 20250618)

الشكل 5. توزيع مؤشر النطاقات الثلاثة (TBI) (القمر الصناعي Xiguang-1-05 (Tianxianpei)، 20250618)

تُظهر النتائج الموضحة في الأشكال أعلاه اتساقًا نسبيًا في التوزيع العام لمؤشري BR وTCDI، بينما يُظهر توزيع TBI بعض الاختلافات. وبشكل عام، تُعدّ ظاهرة ازدهار الطحالب شديدة في المنطقة الغربية من بحيرة تايهو، مع ارتفاع تركيز الكلوروفيل أ بالقرب من مناطق الازدهار. ويعود ذلك إلى أن الجزء الغربي من بحيرة تايهو هو مصب الأنهار التي تجلب كميات كبيرة من المغذيات، مما يؤدي إلى نمو الطحالب بكثافة، وبالتالي ازدهار البكتيريا الزرقاء وزيادة تركيز الكلوروفيل أ. أما المناطق الوسطى والشرقية من بحيرة تايهو فهي أقل تأثرًا، مما ينتج عنه جودة مياه أفضل من غرب البحيرة. وتنمو النباتات المائية في الجزء الشرقي من البحيرة، ويكون تركيز الكلوروفيل أ فيها أقل.

يُظهر تحليل البيانات التاريخية أن الخلجان الشمالية الغربية لبحيرة تاي هو، بما في ذلك خليج تشوشان وخليج ميليانغ، هي المناطق التي تشهد أعلى معدلات ازدهار الطحالب الزرقاء، وتتعرض هذه المناطق الثلاث لأشد حالات الازدهار. تتأثر الطحالب السطحية بالرياح والأمواج؛ فمن جهة، تتحرك مع التيارات المائية، متراكمةً في مناطق الخلجان ومُشكّلةً تجمعات كثيفة. ومن جهة أخرى، ولأن الرياح السائدة في منطقة بحيرة تاي هو خلال فصل الصيف شرقية وجنوبية شرقية، فعندما تصعد الطحالب الزرقاء إلى السطح، تنجرف شمالًا وغربًا من البحيرة بفعل الرياح، لتتحد مع الطحالب الزرقاء الموجودة في هذه المناطق مُسببةً ازدهارًا شديدًا.

تُعدّ منطقة وسط البحيرة بؤرةً لتكوّن الطحالب على نطاق واسع. فعندما يحدث ازدهار للطحالب في هذه المنطقة خلال فصل الصيف، فإنه يغطي مساحةً شاسعة. تاريخيًا، شهدت منطقة وسط البحيرة ازدهارًا واسع النطاق للطحالب تجاوز نطاق ازدهارها في المسطحات المائية الأخرى. في المقابل، نادرًا ما يحدث ازدهار للطحالب في منطقة جنوب غرب البحيرة، ويكاد يكون معدومًا في منطقة شرق بحيرة تايهو، مما يدل على أن بيئة شرق بحيرة تايهو جيدة نسبيًا.